淺談碳纖維布在橋梁加固中的應(yīng)用

王一明

（上海申嘉湖高速公路養(yǎng)護(hù)管理有限公司,上海市200241）

0 引言

近年來(lái)，隨著交通量的不斷增長(zhǎng)，匝道箱梁逐漸暴露出梁體承載力下降或耐久性受影響的結(jié)構(gòu)病害，梁體裂縫、滲水白垢等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。對(duì)橋梁梁板體裂縫進(jìn)行維修加固的方法很多，如壓力灌注砂漿法、梁體截面增強(qiáng)法、鋼板粘貼法等。但這些方法不僅施工難度大，周期長(zhǎng)，有時(shí)還會(huì)影響橋梁使用功能。碳纖維布有高強(qiáng)輕質(zhì)、耐腐蝕性能強(qiáng)、耐久性好及施工簡(jiǎn)便快捷等優(yōu)勢(shì)。本文以S32申嘉湖高速公路南六立交下匝道梁體裂縫病害（圖1）為例，結(jié)合碳纖維布加固的實(shí)際應(yīng)用，介紹了碳纖維布加固工藝的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

圖1 S32申嘉湖高速南六立交下匝道

1 概況

S32高速公路下行側(cè)南六出口D匝道為圓曲線線型，半徑R=220 m，橫坡為5%。D匝道為鋼筋混凝土等截面斜腹板連續(xù)箱梁，跨徑組合25m+25 m+25 m=75 m。單箱單室截面，箱梁頂寬8 m，底寬2.88 m，梁高1.7 m，頂、底板厚20 cm，腹板變厚度30~60 cm。D匝道裂縫（圖2）主要分布在東側(cè)邊跨第三孔（圖3中云線區(qū)域）的腹板和底板表面。腹板主要為滲水析白裂縫，底板和腹板局部存在嚴(yán)重裂縫（縫寬ω≥0.2 mm）；一般裂縫（0.15 mm≤ω＜0.2 mm）；輕微裂縫（ω＜0.15 mm）。底板裂縫為橫向裂縫，延伸到整個(gè)箱梁底板。腹板裂縫呈豎向分布，最寬處位于腹板側(cè)梁高中下部，向上、下開展，個(gè)別與底板裂縫連通，寬度ω為0.1~0.3 mm，沿順橋向間距在50 cm左右。

圖2 D匝道裂縫

圖3 D匝道裂縫局部放大圖

2 碳纖維材料加固特點(diǎn)

碳纖維材料是人造高新材料，它具有優(yōu)異的力學(xué)性能及穩(wěn)定性。這種材料適用于混凝土結(jié)構(gòu)的維修加固。碳纖維材料加固一般具有如下特點(diǎn)：

（1）碳纖維復(fù)合材料通常是由碳纖維和其他基本材料復(fù)合而成，具有良好的力學(xué)性能。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3 500 MPa以上，是鋼的7~9倍，且其相對(duì)密度不到鋼的1/4，并具有耐熱性，可以耐受2 000℃以上的高溫；與此同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料還具有熱容量較小和優(yōu)秀的抗腐蝕性與輻射性。利用碳纖維材料的這些特點(diǎn)來(lái)加固混凝土結(jié)構(gòu)，可以有效提高構(gòu)件的承載力、抗腐蝕性、耐久性，且結(jié)構(gòu)的自重不會(huì)有太多負(fù)擔(dān)。

圖4 橋梁加固用碳纖維復(fù)合材料局部施工圖（單位：mm）

（2）碳纖維是一種柔性材料，適用范圍廣，形狀多樣,在一些特殊不規(guī)則結(jié)構(gòu)上更能體現(xiàn)碳纖維的優(yōu)勢(shì)。這種材料的成型也很方便，可以適用各種結(jié)構(gòu)、各種構(gòu)件的任何部位，并且不影響結(jié)構(gòu)的外觀。

（3）碳纖維的相對(duì)密度小，質(zhì)量輕也決定了采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固時(shí)，施工更為方便、簡(jiǎn)捷，對(duì)于加固所需求的空間更少，施工時(shí)對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)影響也小，工作效率更高，節(jié)約成本。以最近常運(yùn)用于橋梁結(jié)構(gòu)的箱梁為例，在內(nèi)部空間受到限制的情況下也可以采用該材料實(shí)施橋梁加固。

（4）碳纖維的相對(duì)密度不到鋼的1/4，經(jīng)過(guò)這種材料加固后的結(jié)構(gòu)，不僅在自重上增加不大，且在外觀、尺寸等方面也不會(huì)有什么影響。進(jìn)行橋梁加固時(shí)，必須考慮加固后橋梁的通行要求，要保證一定的凈空。因此比起傳統(tǒng)的加固技術(shù)，碳纖維加固技術(shù)的優(yōu)勢(shì)明顯。

3 碳纖維性能指標(biāo)

碳纖維片材的主要力學(xué)性能見表1。碳纖維底層樹脂、找平材料和浸漬樹脂和粘結(jié)樹脂性能指標(biāo)見表2。

表1 碳纖維片材的主要力學(xué)性能指標(biāo)

4 加固工藝流程

加固工藝流程為：混凝土表面處理→粘貼面修補(bǔ)找平（若平整，此步驟可省去）→配置底膠→涂底膠→粘貼碳纖維布→固化→檢驗(yàn)→維護(hù)。

表2 碳纖維底層樹脂、找平材料、浸漬樹脂和粘結(jié)樹脂性能指標(biāo)

4.1 混凝土表面處理

清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土及粉飾層、油垢、污物，并用修復(fù)材料將表面修復(fù)平整。然后用角磨機(jī)磨去1~2 mm厚表層，混凝土構(gòu)件轉(zhuǎn)角處應(yīng)進(jìn)行倒角處理，磨出（陽(yáng)角）或補(bǔ)出（陰角）半徑不小于20 mm的光滑圓?。▓D5），打磨完畢用壓縮空氣吹凈浮塵，最后用棉布蘸丙酮拭凈表面，保持干燥備用。按《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG H10—2009）要求對(duì)裂縫進(jìn)行灌縫或封閉處理。混凝土表面清理干凈并保持干燥。所用主要器具:角磨機(jī)、金剛石磨片、空壓機(jī)、棉布、護(hù)目鏡、防塵口罩。

圖5 清除構(gòu)件表面示意圖

4.2 配置底膠

按武大巨成結(jié)構(gòu)股份有限公司提供的工藝規(guī)定配制底層樹脂。粘纖維底膠通常為A、B兩組分，配膠宜采用機(jī)械攪拌，攪拌器由電錘和攪拌齒組成，攪拌齒采用電錘鉆頭端部焊接十字形14鋼筋制成。取潔凈容器（塑料或金屬盆，不得有油污、水、雜質(zhì)）和稱重衡器按配合比混合A、B組分，并用攪拌器攪拌5~10 min左右至兩組分混合均勻?yàn)橹埂嚢钑r(shí)最好沿同一方向攪拌,盡量避免混入空氣形成氣泡。膠現(xiàn)配現(xiàn)用，每次配膠量不宜大于2 kg。

4.3 涂底膠

用毛刷、滾筒或塑料刮板將底膠均勻涂抹于混凝土構(gòu)件表面，注意不要漏刷，并避免氣泡，等膠固化至手指觸感干燥后，進(jìn)行下一道工序的施工。配置面膠和裁剪碳纖維布，粘纖維面膠仍為A、B兩組分，機(jī)械攪拌。每次配置量以小于3 kg為宜，現(xiàn)配現(xiàn)用。按實(shí)際要求的尺寸用鋒利剪刀裁剪碳纖維布，注意整齊劃一，避免毛刺。宜在平整的木板、紙板、塑料布上裁剪，以保持纖維布的潔凈。

4.4 粘貼碳纖維布

按要求的尺寸裁剪碳纖維布；按產(chǎn)品供應(yīng)商提供的工藝規(guī)定配制漫漬樹脂并均勻涂抹于所要粘貼的部位；用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布。滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布；在碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。

4.5 固化和表面防護(hù)

按凝結(jié)劑廠家說(shuō)明書要求，保證足夠的固化條件和時(shí)間，通常固化溫度25℃左右，3 d即可負(fù)載使用。若固化溫度為5℃左右，則5 d可負(fù)載使用。固化后表面涂一層丙烯酸涂料。

4.6 檢驗(yàn)

在開始施工之前，確認(rèn)碳纖維片材及配套樹脂類粘結(jié)材料的產(chǎn)品合格證，產(chǎn)品質(zhì)量出廠檢驗(yàn)報(bào)告，各項(xiàng)性能指標(biāo)應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50367—2006）要求。碳纖維片材與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面的方法來(lái)檢查，總有效粘結(jié)面積不應(yīng)低于95%。當(dāng)碳纖維布的空鼓面積小于0.01 m2時(shí)，可采用針管注膠的方式進(jìn)行補(bǔ)救?？展拿娣e大于0.01m2時(shí)，宜將空鼓處的碳纖維片材切除，重新搭接貼上等量的碳纖維片材，搭接長(zhǎng)度應(yīng)不小于100 mm。對(duì)碳纖維片材和配套樹脂類粘結(jié)材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣檢驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）申嘉湖高速公路南六下匝道箱梁采用碳纖維布加固后，梁體表面裂縫密封效果較好；碳纖維與梁體密貼，與梁體能共同承載外力，一定程度上改善了梁體應(yīng)力狀態(tài)，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)耐久性。

（2）碳纖維加固過(guò)程中，基層的處理非常重要。基層的處理直接影響碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量?；鶎犹幚硪笄鍧崱o(wú)浮渣、平整。在使用碳纖維加固結(jié)構(gòu)前，必須要先打磨構(gòu)件的表面，將表面剝蝕、酥軟的混凝土打磨脫落，在露出完好的結(jié)構(gòu)層后，用碳纖維材料將表面修整平整。需要注意的是，在有裂縫的地方，必須對(duì)裂縫進(jìn)行處理，常見的處理方法有灌漿和封閉處理。

（3）粘貼碳纖維材料時(shí)，需要注意粘結(jié)的質(zhì)量，而這關(guān)系到滾壓材料的密實(shí)度。在粘貼過(guò)程中，必須進(jìn)行多次反復(fù)滾壓，盡可能地排出材料間的氣泡，防止氣泡影響粘結(jié)的質(zhì)量。